侵徹姿態測量中MEMS陀螺儀結構仿真與沖擊實驗

　　摘要:彈體在高速侵徹過程中的姿態偏轉是影響其效能的重要因素,利用微電子機械系統(MEMS)陀螺儀進行姿態測量是監測彈體姿態變化的主要手段。針對侵徹彈體姿態測量對MEMS陀螺儀提出的抗高過載要求,采用結構仿真和沖擊實驗的方法對國產MEMS陀螺儀進行了抗高過載研究。在結構仿真中,利用ANSYS有限元軟件對MEMS陀螺儀敏感結構進行了靜力學仿真和沖擊仿真。仿真結果表明,MEMS陀螺儀能夠承受峰值15000g、脈寬2ms的半正弦沖擊載荷;在沖擊實驗中,利用空氣炮對MEMS陀螺儀處于帶電工作狀態下的抗高過載能力和輸出特性進行了研究,實驗結果表明,MEMS陀螺儀在8363g的沖擊過載條件下可以正常帶電工作,其在過載前后的零偏和標度因數基本保持不變。

　　青澤; 牟東; 廉璞; 劉軍; 周銘， 微納電子技術 發表時間：2021-08-17 期刊

　　關鍵詞:微電子機械系統(MEMS);陀螺儀;侵徹;姿態測量;抗高過載

　　0引言

　　MEMS陀螺是利用微電子機械系統(microelectromechanicalsystem,MEMS)技術制作而成的用來測量運動載體角速度的慣性傳感器[1],與傳統慣性陀螺相比,MEMS陀螺具有體積小、質量輕、成本低及可批量生產等特點,在慣性導航、姿態測量等領域具有廣闊的應用前景[2]。

　　隨著速度的不斷提高,彈體在侵徹過程中姿態超出設計值、發生不可控偏轉的概率大幅增加,當彈體姿態偏轉一定程度時,極易發生橫拍解體、跳彈[3]甚至彈體轉回地面[4](美國將彈體轉回地面的現象形象地稱為“J-ing”)等問題,從而導致戰斗部失能失效。為避免此類問題發生,需要在侵徹過程中實時感知彈體姿態變化,當彈體姿態失控時,啟動應急起爆模式引爆戰斗部。

　　為滿足侵徹彈體實時姿態測量的需求,主要的技術手段是增加姿態測量模塊[5],由于彈上體積和質量的限制,MEMS陀螺成為實現侵徹彈體姿態測量的首選。但在侵徹高過載條件下,MEMS陀螺的可靠性成為研究的難點[6-7]。國內目前鮮有將MEMS陀螺運用在侵徹高過載環境中的研究,針對MEMS陀螺的抗高過載能力的研究也主要圍繞陀螺在過載前后的性能變化(過載作用過程中陀螺處于不帶電非工作狀態),而鮮有陀螺在過載作用過程中處于帶電工作狀態下的研究。

　　為此,本文以某國產MEMS陀螺為研究對象,分別從陀螺敏感結構層面和器件層面對其在侵徹高過載條件下進行結構仿真和帶電工作狀態下的沖擊實驗,研究MEMS陀螺在高過載條件下的結構響應和輸出特性,為利用MEMS陀螺實現侵徹姿態測量提供參考。

　　1侵徹姿態測量概述

　　隨著侵徹速度的不斷提高,彈體在侵徹過程中的姿態偏轉現象越來越明顯。圖1[8]為在多層靶侵徹實驗中的彈體姿態偏轉現象,從圖中可以看出,彈體在侵徹第5層靶時出現了較為明顯的姿態偏轉,導致穿靶結束時彈體位置已接近靶板邊緣,而隨著侵徹速度的進一步增加,彈體將在更早位置(如第3層靶)出現明顯的姿態偏轉。

　　MEMS陀螺在上述侵徹彈體姿態測量場景中,主要面臨“高過載沖擊”的挑戰,圖2[9]為在多層靶侵徹實驗中的過載信號,從圖中可以看出,MEMS陀螺在侵徹過程中將承受峰值在20000g左右、持續時間1~2ms的過載沖擊。同時,要實現侵徹過程的姿態測量,MEMS陀螺在過載作用過程中必須處于帶電工作狀態,而現有關于MEMS陀螺抗高過載能力的研究主要圍繞MEMS陀螺在過載前后的性能變化,在過載作用過程中陀螺處于不帶電非工作狀態。為此,本文將圍繞MEMS陀螺處于帶電工作狀態下的抗高過載能力展開研究。

　　2MEMS陀螺敏感結構仿真分析

　　針對侵徹姿態測量對MEMS陀螺提出的帶電工作狀態下抗高過載的要求,國內現有MEMS陀螺市場中,并沒有能夠滿足該要求的產品。因此,本文在充分調研國內現有MEMS陀螺產品的基礎上,選擇技術成熟、具有一定靜態(即不帶電非工作狀態)抗高過載能力的MEMS陀螺,其測量范圍為±4000°/s,主要性能參數如表1[10]所示,表1中LSB為最低有效位。

　　從表1可以看出,該陀螺測量范圍大、精度高,響應延遲不超過1.0ms,其在不帶電非工作狀態下的靜態抗高過載能力為15000g,而侵徹姿態測量要求MEMS陀螺在帶電工作狀態下具有一定抗高過載能力。

　　當MEMS陀螺以帶電工作狀態承受高過載時,其與不帶電狀態的區別主要體現在陀螺的控制系統上,即帶電工作狀態下,陀螺內部調制器可能會因過載而失去穩定,同時無法依靠自身重新恢復穩定。因此,為驗證該陀螺在帶電工作狀態下的抗過載能力,本文將從工程應用的角度,首先對陀螺敏感結構進行抗高過載能力仿真分析,再對陀螺整機在帶電工作狀態下進行沖擊實驗研究。

　　2.1靜力學仿真分析

　　首先對MEMS陀螺敏感結構進行靜力學仿真分析,明確其敏感結構能承受的靜力載荷邊界,為下一步將要進行的沖擊動力學仿真提供輸入載荷參考。靜力學仿真分析采用ANSYS有限元分析軟件對MEMS陀螺敏感結構在靜力恒加載荷下的應力、應變響應情況進行仿真研究[11-12]。分別對陀螺敏感結構在X軸、Y軸和Z軸上施加10000g~20000g的靜力載荷,設置10000g、12500g、15000g、17500g和20000g5個載荷進行仿真求解。

　　圖3為MEMS陀螺最大等效應力與加速度的關系曲線。從圖3中可以看出,Z軸方向過載下的最大等效應力為3個方向中最小的,其在20000g過載下的最大等效應力為323MPa,Y軸方向20000g下的最大等效應力為462MPa,而X軸方向過載下的最大等效應力為3個方向中最大的,其在20000g過載下的最大等效應力達到630MPa,其最大等效應力位于陀螺剛性連桿的扭轉機構(中心支點)區,如圖4所示。相較于MEMS陀螺硅材料700MPa的失效強度(該失效強度值為陀螺設計廠家限定),可見陀螺可以承受Y軸和Z軸方向上20000g過載,而X軸20000g過載下的最大等效應力已接近失效強度,可以預見陀螺在X軸20000g過載下將接近結構斷裂失效邊界。

　　圖5為MEMS陀螺最大等效應變與加速度的關系曲線。從圖中可以看出,3個軸向上的最大等效應變均隨著加速度的增加而增大,在Z軸方向上的最大等效應變約為0.00118,低于0.0035的安全應變邊界(該安全應變邊界值為陀螺設計廠家限定);在Y軸方向上的最大等效應變約為0.00327,仍低于0.0035的安全應變邊界;而在X軸方向上,當載荷為15000g時,其最大等效應變約為0.00335,接近安全應變邊界,當載荷增至17500g時,最大等效應變為0.00363,超過0.0035的安全應變邊界,因此可以預見的是,當X軸方向載荷超過15000g時,陀螺接近結構斷裂失效邊界。

　　綜合上述靜力學仿真結果可以看出,在Y軸和Z軸方向上,陀螺可以承受20000g的靜力載荷而不會出現結構失效,而在X軸方向上,當載荷超過15000g時,陀螺接近結構失效邊界,可能出現結構斷裂失效。

　　2.2沖擊仿真分析

　　沖擊仿真分析采用ANSYS動力學分析方法,研究MEMS陀螺敏感結構在強瞬態沖擊載荷作用下的應力應變分布。在沖擊仿真中,以靜力學仿真分析中的載荷邊界為基礎,同時為模擬侵徹過程中的過載特性,選擇幅值分別為5000g、10000g、15000g和20000g,脈寬為2ms的半正弦沖擊載荷作為輸入,分析陀螺敏感結構在沖擊載荷下的瞬態響應,明確其抗動態沖擊過載能力。

　　圖6(a)和(b)分別為MEMS陀螺在沖擊載荷下其敏感結構的最大等效應力、最大等效應變隨沖擊載荷變化的時間響應曲線,從圖6中可以看出,在半正弦沖擊載荷作用下,MEMS陀螺敏感結構的最大等效應力和最大等效應變隨沖擊過載值的增大而增大,其響應峰值時間和脈寬與沖擊載荷的峰值時間和脈寬基本吻合。

　　表2為在不同沖擊載荷下MEMS陀螺敏感結構的等效應力、等效應變的峰值,從表2中可以看出,在15000g、2ms的沖擊載荷下,陀螺敏感結構的最大等效應力為516.16MPa,低于700MPa的材料失效強度,最大等效應變為0.0039681,已超過0.0035的安全應變邊界;在20000g、2ms的沖擊載荷下,其最大等效應力為664.25MPa,已接近陀螺材料700MPa的失效強度,其最大等效應變也已超過安全應變邊界,因此,可以預見的是當沖擊載荷峰值在15000g時,陀螺敏感結構接近失效邊界,將可能出現結構斷裂失效。

　　圖7(a)和(b)分別為陀螺敏感結構的等效應力、等效應變在峰值時刻的分布圖,從圖中可以看出,在沖擊載荷作用下,陀螺等效應力和等效應變的最大值均出現在其剛性連桿的扭轉機構區,這與靜力學仿真結果基本吻合。

　　3MEMS陀螺沖擊實驗研究

　　為研究MEMS陀螺在過載作用過程中處于帶電工作狀態下的抗高過載能力,分析陀螺性能是否會隨著過載增加而發生變化,本文選擇空氣炮進行MEMS陀螺帶電沖擊實驗。在空氣炮實驗中,設計MEMS陀螺工作電路,采用鋰電池為MEMS陀螺供電,并設計專用數據記錄儀,用于對MEMS陀螺在沖擊過程中的輸出信號進行實時采集記錄,制作的空氣炮實驗樣品如圖8所示。

　　共進行兩發空氣炮實驗,兩發實驗的實測過載值分別為8279g和8363g,相較于圖2中的實際侵徹過載,本次空氣炮實驗的過載持續時間和加載能量均小約一個數量級,主要原因是為了分階段驗證MEMS陀螺的抗過載能力,逐步摸清其在帶電工作狀態下能夠承受的過載極限值,以及研究陀螺的性能是否會隨著過載增加而發生變化。

　　在不考慮噪聲影響的前提下,將在實驗中采集的陀螺輸出換算為角速度信號,如圖9所示。從圖中可以看出,兩發空氣炮實驗中,兩只MEMS陀螺全程處于帶電工作狀態,且有效輸出了角速度信號,雖然受實驗能力的限制,無法找到準確的角度或角速度參考基準,但MEMS陀螺的輸出結果基本符合實驗情況:實驗中MEMS陀螺安裝為敏感彈體滾轉方向的角速度,由于安裝誤差,在彈體發射瞬間有一個比較大的角速度,穩定飛行后滾轉方向角速度在較小范圍內波動。實驗結果說明,該MEMS陀螺至少具備帶電工作狀態下抗8363g的過載能力,初步具備應用在侵徹高過載環境中的條件,后續可進一步提高空氣炮實驗的過載值,以研究MEMS陀螺能夠承受的載荷邊界,分析其性能是否會隨著過載增加而發生變化。這也是本文后續將重點開展的研究內容之一。

　　表3為空氣炮實驗前后兩只陀螺零偏和標度因數的變化情況,從表3中可以看出,兩只陀螺在空氣炮實驗前后其零偏變化率最大為-1.71%,標度因數變化率不超過-1%,說明其主要性能參數在實驗前后基本保持不變,陀螺未出現損壞失效的情況。

　　4結論

　　針對侵徹彈體姿態測量對MEMS陀螺提出的抗高過載要求,以國產MEMS陀螺為研究對象,分別從敏感結構層面和器件層面進行結構仿真分析和沖擊實驗研究。結果表明,該MEMS陀螺在8363g的空氣炮沖擊過載條件下可正常帶電工作,且其主要性能參數在過載環境下基本保持不變,初步具備應用在侵徹高過載環境下的條件。后續將進一步提高空氣炮實驗過載值,確定MEMS陀螺在帶電工作狀態下能夠承受的過載邊界,研究MEMS陀螺的性能隨過載增加的變化規律,為利用MEMS陀螺實現侵徹姿態測量提供參考。